內藏式晶片封裝之熱傳研究

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第十二卷第三期奈米通訊

內藏式晶片封裝之熱傳研究

余致廣

1

、鄭宗杰

2 1

_{工研院電子所、}

2

_{國家奈米元件實驗室}

前言

下一世代電子產品中，輕薄短小、多功能與高功率為發展趨勢，在此要求下，積體電路 _{(Integrated circuit, IC) 所呈現的功} 能越來越強大，搭配的被動元件數量亦隨之遽增，因此如何在有限的構裝空間當中容納數目龐大的電子元件已成為電子構裝業者急待解決與克服的技術瓶頸。為了解決此一問題，_{Intel 提出了英文全名 (BBUL) 的構裝技} 術，此一技術使電子元件更薄、更高效能，並且更省能源，但此架構也面臨了許多尚待解決的問題，諸如：成本的考量、良率問題、熱應力問題_{…等。另一方面德國研究機} 構 _{Fraunhofer IZM 與柏林科技大學共同開發} 了 _{Chip in Polymer (CIP) 技術，此技術的特} 點是利用超薄的晶片埋藏於印刷電路板的增層構造之中，主要之製作流程為先將晶片裝載於基板之上 _{(Die attach)，之後再利用介電} 材料將晶片埋藏於其中 _{(Lamination)，晶片} 與基板的電性連接是利用無電鍍的方式將金屬導線製作於介電材料上。_{無論是 Intel 之} BBUL 或是 IZM 之 Chip in Polymer (CIP)，其構想之主要目的皆為跳脫 _{Bumping 之製程} 概念，減少錫鉛接點及介金屬層的影響以達到整體效能的提升，工研院電子所目前在開發的英文全名 _{(CiSP) 架構也是以此為目標，} 並希望能突破技術瓶頸進而開發出下世代之電子構裝技術。本文之內容為針對 _{CiSP 架} 構探討其熱傳問題，進而提出降低熱阻之設計，以協助 _{CiSP 構裝技術之發展。}

CiSP 結構設計

CiSP 其構想是將已磨薄 (~50 μm) 的 IC 晶片整合進入高密度的增層英文全名 _(PCB) 基板中，其基本架構如圖一所示。_{CiSP 之基} 本精神在於省略晶圓凸塊製程，且因與 _PCB 製程相容性高，故可順利與 _{PCB 增層製程} 相結合，而在材料的選擇與製程技術方面，因跨入門檻較低，故對於開發成本的降低頗具發展潛能。_{在雛形製作上，早期介電層} 的塗佈是以旋轉塗佈的方式進行，先行製作一凹槽作為晶片埋入區，再將已完成 _Under Bump Metallization (UBM) 製程及薄化的晶片置於凹槽內，然後再依序進行介電層塗佈、金屬線路成形、_{solder mask 製程與錫鉛球的} 製作，最後再進行模組的堆疊，其製程流程如圖二 _{(a) 所示。然而，利用旋轉塗佈的方} 式來進行內埋晶片的製作對於後續的製程會有問題產生，特別是在發生翹區的基板上進行曝光顯影製程形成微孔結構，其均勻性會有很大的影響。為了改善此一問題，將旋轉塗佈的方式改為真空壓合技術來進行晶片埋入之製程並利用雷射鑽孔技術製作微孔，雷射鑽孔技術可以做到更細微之圖案與結構，其最大之優點在於可以利用基準記號得到較好之對位，如此可大大改善製程之良率，整個壓合鑽孔製程如圖二 _{(b) 所示。}

模型建構

將整個 _{CiSP 封裝模組簡化成數個區} 圖一、_{CiSP 基本架構圖}

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第十二卷第三期奈米通訊距變小，極溫度較為均勻，這是由於基板內的熱增強結構設計 _{”散熱通道” 增加了封裝} 體週邊基板區域的等效熱傳導係數，使得熱流可以更有效地由中心的晶片傳至整個封裝體，在此模擬中，散熱通道的效應被突顯出來，它可以有效地改善 _{CiSP 的散熱性能。} 圖十為散熱通道的數量與位置對 CiSP 熱傳性能的影響，模擬結果顯示在晶片下方設計散熱通道對於降低整體熱阻值的效應遠小於將散熱通道設計於封裝體週邊。同時模擬結果亦顯示有散熱通道之 _{CiSP，其熱阻} 值可以明顯降低，不論其散熱通道的位置位於何處，因此可以推論，散熱通道的增設是可以大幅降低熱阻值；另一個改變參數 _”散熱通道的數量_{” 則顯示其效應最明顯是在散} 熱通道數量很少時，當散熱通道數量持續增圖十、散熱通孔的位置與數目對熱阻值的影響加，其熱阻值降低的幅度極為有限。_若針對基材材質對熱阻值影響來看，分別以 _RCC 和 _{ABF 材值的基材來比較，其熱阻的改變} 極不明顯，主要是由於基材材料的熱傳導係數的差異極小；由於基材的與材質對於熱阻的降低有限，因此基材設計對於 _{CiSP 熱傳} 性能的最佳化，可能要以降低基材的厚度來發展。

結論

隨著電子元件高輸入/輸出 _{(I/O) 導線及} 高發熱密度之趨勢，晶片內埋式電子封裝的發展與應用越來越重要，本文中藉由模擬方式詳細分析晶片內埋封裝之熱傳特性，以了解晶片內埋封裝的熱傳效果。在模型建構中，採用 _{JEDEC 標準模擬 CiSP 元件在自} 然對流環境下的熱阻值，並加以分析比較結果。在模擬分析中利用 _{CFD 軟體建立模型} 分析 _{CiSP 封裝的熱流現象，同時也利用對} 稱與局部格點加密的方式將模型加以簡化，大幅縮短計算時間，也針對基材厚度的厚度與散熱通孔的位置對熱傳性能的影響做詳細分析。結果顯示降低基板厚度可提升 _CiSP 的散熱特性，約可降低熱阻值 _{10°C/W 左} 右；而散熱通孔的增加可增加熱傳導係數，因此也會大幅增加散熱效果；將散熱通孔設計於晶片下方的基板對熱傳並無幫助，若改變散熱通孔的位置，將其設計於封裝體的周邊，則有助於溫度的均勻性，並降低熱阻值。